Công nghệ in 3D là gì - Cách thức hoạt động, ứng dụng và trở ngại

Những máy in mang tính cách mạng ngày càng hiện rõ trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta:

• Súng. Vào năm 2013, người tự xưng là người khai thác tiền điện tử đã tự mình thiết kế, tạo ra và in một khẩu súng nhựa thông qua công nghệ in 3D. Cody đã bắn một phát súng và phân phát các tệp CAD cho khẩu súng qua Internet. Đã có hơn 100.000 lượt tải xuống trước khi chính phủ Hoa Kỳ đóng cửa trang web. Vào tháng 5 năm 2014, Yoshitomo Imura đã bị bắt tại Nhật Bản vì sở hữu năm khẩu súng in 3D.
• Mỹ phẩm. Tại triển lãm TechCrunch Disrupt ở thành phố New York vào tháng 5 năm 2014, Grace Choi, sinh viên tốt nghiệp MBA của Harvard đã trình diễn chiếc Mink, một máy in 3D có giá dưới 200 đô la kết hợp mực được FDA chấp thuận với nhiều loại chất nền để tạo ra bất kỳ loại trang điểm nào, từ phấn phủ, để kem, để son. Theo Choi, các công ty trang điểm của Big Big lấy sắc tố và các chất nền và trộn chúng lại với nhau và sau đó tăng giá. Chúng tôi làm điều tương tự và cho phép bạn trang điểm ngay trong chính ngôi nhà của mình.
• Bộ phận cơ thể. Theo báo cáo năm 2013 của tạp chí TIME, máy in 3D đã khắc các bộ phận cơ thể như tai và mũi từ các tế bào cơ thể. Trong giai đoạn đầu, công nghệ này hứa hẹn cho phẫu thuật thẩm mỹ và thẩm mỹ.
• Món ăn. Viện Công nghệ Massachusetts đã phát triển một máy in 3D cho thực phẩm có tên là Corn Cornopia, và Viện ẩm thực Pháp đã sử dụng FabatHome do Cornell phát triển để chế biến thực phẩm. Có lẽ các nhà tái tạo thực phẩm ở thời đại vũ trụ được mô tả trong Ngôi sao Trek Trek không phải là tương lai xa như chúng ta nghĩ.
• Pháp y & Khảo cổ học. Trong chương trình truyền hình, CS CS: New York, in 3D 3D được sử dụng để tái tạo một viên đạn bên trong cơ thể để tránh phẫu thuật. Các nhà khảo cổ có thể sao chép các cổ vật mỏng manh để nghiên cứu mà không làm hỏng các vật thể vô giá ban đầu. Ví dụ: khách truy cập Triển lãm Tut Time Square của Discovery Time có thể thấy một bản sao in 3D gần như giống hệt xác ướp của công ty Vật liệu hóa.

Michelangelo từng giải thích rằng mỗi khối đá đều có một bức tượng trong đó, và nhiệm vụ của nhà điêu khắc là khám phá nó. Một khi nghệ sĩ hiểu được hình ảnh ba chiều mà anh ta tìm kiếm, nhiệm vụ của anh ta là cẩn thận loại bỏ các vật liệu bên ngoài để tiết lộ cấu trúc ẩn. Nếu Michelangelo có thể sử dụng máy in 3D, quy trình sáng tạo của anh ta hoàn toàn ngược lại: bắt đầu từ không có gì và dần dần tạo ra hình ảnh tinh thần của mình bằng cách thêm chất cho đến khi hình thức anh ta tìm kiếm hoàn tất.

Cách in 3D hoạt động

Thuật ngữ in 3D 3D 3D là một cách viết sai, vì có rất ít sự tương đồng với in hai chiều, theo đó mực được áp dụng cho giấy. Tuy nhiên, quá trình này tương tự như in ấn ở chỗ kết quả là sự tích tụ của các lớp vật liệu khác nhau được đặt tuần tự theo các hình dạng khác nhau để tạo ra một vật thể ba chiều vững chắc. Một mô tả chính xác hơn sẽ là sản xuất phụ gia, một phương pháp tạo khác so với sản xuất truyền thống dựa trên việc loại bỏ vật liệu rắn khỏi khối lượng lớn hơn không định dạng.

Quá trình bắt đầu với một thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) hoặc máy quét 3D để dịch mô hình thành các phép đo ba chiều kỹ thuật số. Sử dụng vật liệu đã chọn (chất lỏng, bột, giấy hoặc vật liệu tấm), nhiều lớp mỏng được đặt vào vị trí và hợp nhất bằng cách nung nóng, đóng rắn, định tâm, cán màng hoặc trùng hợp hình ảnh để tạo ra một vật thể thống nhất.

Công nghệ in 3D đã phát triển trong thế kỷ thứ ba; một báo cáo Patent Insight Pro năm 2014 đã liệt kê khoảng 2.635 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ in 3D đã được ban hành từ đầu những năm 1970. Mặc dù mỗi bằng sáng chế có thể cụ thể liên quan đến khiếu nại và biện minh của nó để đảm bảo việc cấp bằng sáng chế, chúng thường có thể được phân loại dựa trên các điều sau đây:

• Quy trình công nghệ được xác định. Hiện tại có 33 quy trình khác nhau được sử dụng trong in 3D, từ mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM) - một quá trình gia nhiệt vật liệu nhiệt dẻo đến trạng thái bán lỏng, sau đó đùn lớp này theo lớp dọc theo con đường do máy tính điều khiển - đến lập thể, xử lý khi tia cực tím làm cứng một lớp photopolyme lỏng khi nó được nâng lên hoặc hạ xuống bởi một nền tảng được ngâm trong bể polymer lỏng tương tự như phủ lớp sơn sau lớp sơn cho đến khi nhiều lớp tạo thành phần hoàn thiện.
• Vật liệu được chỉ định trong Bằng sáng chế. Cho đến nay, các bằng sáng chế được cấp bao gồm 45 vật liệu khác nhau bao gồm gốm sứ, đất sét, palađi, giấy, cao su, bạc, titan và sáp.
• Sử dụng hoặc ứng dụng. Cuối cùng, có ít nhất 22 ứng dụng thương mại in 3D, bao gồm các ngành công nghiệp xây dựng, quốc phòng và thực phẩm.

Công nghiệp in 3D

Nhiều nhà quan sát trong ngành cho rằng việc thiếu thâm nhập vào các thị trường đại chúng cho đến nay là do các bằng sáng chế rộng rãi của các công ty khác nhau và khả năng kiện cáo sở hữu trí tuệ. Nói một cách đơn giản, các công ty đã không dành tài nguyên để khai thác công nghệ vì họ sợ bị kiện.

Rào cản cạnh tranh này đã khiến những người mới tham gia ra khỏi thị trường và giá cao; quá cao, trên thực tế, để hỗ trợ các ứng dụng tiêu dùng trên thị trường đại chúng. Với nhiều bằng sáng chế bao gồm công nghệ cơ bản đã hết hạn vào năm 2013 và nhiều hơn nữa sẽ hết hạn vào năm 2014 và 2015, có khả năng sẽ có một vụ nổ sản phẩm mới và giảm giá thiết bị tương tự như sự suy giảm trong phần cứng điện tử khác như TV, máy tính và điện thoại di động. Giá thấp hơn sẽ cung cấp quyền truy cập cho người tiêu dùng trên cơ sở rộng rãi lần đầu tiên.

Theo Pete Basiliere, nhà phân tích hàng đầu của Gartner về in 3D, một ứng dụng tiêu dùng hấp dẫn - thứ chỉ có thể được tạo ở nhà bởi máy in 3D - sẽ xuất hiện vào năm 2016 và có tác động tương tự đối với máy in 3D như bảng tính cho PC hoặc Ngoài ra một máy ảnh cho một điện thoại di động. Báo cáo của Gridlogics Technologies cho rằng công nghệ sẽ trở thành một mặt hàng thị trường đại chúng bởi vì nó sẽ cho phép người tiêu dùng thay thế hoặc tạo ra các đối tượng gia đình thông thường hiện được sản xuất bằng phương pháp sản xuất truyền thống và bao gồm các chi phí liên quan đến tiếp thị, hậu cần và bảo trì hàng tồn kho. Charles W. Hull, người tạo ra máy in 3D đầu tiên vào giữa những năm 1980 và là người đồng sáng lập và giám đốc công nghệ của 3D Systems, dự đoán ngành công nghiệp này sẽ là một doanh nghiệp trị giá 4,5 tỷ đô la vào cuối thập kỷ này.

Ứng dụng in 3D

Việc sử dụng in 3D trong tương lai vẫn đang được phát hiện. Sau đây chỉ là một số ứng dụng hiện tại đang được sử dụng trước tiên có khả năng được sử dụng chung.

1. Y khoa
Theo CNN, máy in 3D đã được các nhà nghiên cứu sử dụng để in các dải mô cơ quan nhỏ (in sinh học), cũng như các phần phụ trên khuôn mặt (tai và mũi). Các cơ quan được in như thận hoặc gan - giai đoạn tiếp theo trong sự phát triển của công nghệ - ban đầu có thể được sử dụng để thử nghiệm thuốc và vắc-xin và cuối cùng tạo ra các cơ quan rất cần thiết cho cấy ghép.

Basiliere tuyên bố, các cơ sở in sinh học 3D 3D với khả năng in các bộ phận và mô của con người sẽ tiến bộ nhanh hơn nhiều so với sự hiểu biết chung và chấp nhận sự phân nhánh của công nghệ này. Đáp lại, Mike Titsch, tổng biên tập của Thế giới Máy in 3D tuyên bố, Nhiều cuộc đột phá y tế lớn đã phải chịu sự kháng cự đạo đức, từ cấy ghép nội tạng đến tế bào gốc. Chỉ những người giàu mới có thể mua được? Có phải chúng ta đang chơi Chúa? Cuối cùng, cứu mạng có xu hướng thổi phồng mọi sự phản đối.

2. Tay chân giả
Sinh viên Đại học Washington đã phát triển một cánh tay giả cho một cô bé 13 tuổi bị mất chân tay trong một tai nạn chèo thuyền. Mặc dù không tiên tiến như các bộ phận giả khác, chi phí 200 đô la cho vật liệu thấp hơn đáng kể so với chi phí 6.000 đô la của các thiết bị tương tự, một yếu tố ngăn cản ứng dụng rộng rãi ở nhiều công ty.

Kylie Wicker ở Rockland, Illinois, sinh ra không có ngón tay trên bàn tay trái, đã nhận được một bộ ngón tay được in bằng nhựa 3D với giá 5 đô la và được thiết kế bởi một lớp kỹ sư trung học. Một giáo sư người Canada đang thực hiện một quy trình in 3D để làm cho chân tay giả được gửi đến Uganda cho các nạn nhân của cuộc nội chiến dai dẳng của họ.

3. Thời trang
Thời trang đã sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra những bộ váy và phụ kiện trực quan tuyệt đẹp được trình bày trên sàn diễn của Tuần lễ thời trang New York 2013, cũng như một chiếc váy khói khói độc đáo được ra mắt tại Triển lãm ô tô quốc tế Frankfurt 2013. Chiếc váy khói tự động tạo ra một tấm màn khói mỗi khi có ai đó bước vào không gian cá nhân của người mặc.

Lady Gaga mặc chiếc váy bay đầu tiên trên thế giới, Volantis, một chiếc váy in 3D khác, tại ArtRave 2013. Continuum cung cấp bộ bikini in sẵn hoàn toàn 3D, in sẵn 3D đầu tiên trên thế giới, N12, được đặt tên theo chất liệu mà nó được sản xuất: Nylon 12.

4. Nguyên mẫu và mô hình thử nghiệm
Oxfam International, một liên minh quốc tế gồm 17 tổ chức làm việc để tìm ra những cách thiết thực, sáng tạo để mọi người thoát nghèo, hợp tác với MyMiniFactory.com để phát triển các thiết kế sáng tạo để giải quyết các vấn đề về vệ sinh nước ở các nước thuộc Thế giới thứ ba. Các thiết kế có thể nhanh chóng được in, thử nghiệm và sửa đổi trước khi chuyển chúng vào sản xuất hàng loạt. Mặc dù vẫn còn sớm trong quá trình, các nhà tài trợ tin rằng việc thử nghiệm nhanh chóng các thiết bị mới và sửa đổi tiếp theo có thể với in 3D sẽ chứng minh thành công trong các dự án nhân đạo như thiết bị vệ sinh tay cho 2,4 triệu người tị nạn Syria hiện đang sống trong điều kiện đông đúc, mất vệ sinh.

Nhà phát minh người Ý Enrico Dini đã phát triển một máy in 3D, được gọi là D-Shape, liên kết các hạt cát lại với nhau để tạo ra đá trầm tích. Máy in được cho là cho phép xây dựng một tòa nhà nhanh hơn bốn lần so với các phương tiện thông thường với một nửa chi phí. Các Urbee, một ô tô hybrid được thiết kế bởi Kor sinh thái, là một chỗ hai mà được lên đến 200 dặm một gallon với chi phí ước tính khoảng $ 20.000, và hoàn toàn được sản xuất bởi in ấn 3D.

5. Sử dụng cá nhân
Mọi người sẽ có thể in đồ trang sức tùy chỉnh, đồ gia dụng, đồ chơi và công cụ theo bất kỳ kích cỡ, hình dạng hoặc màu sắc nào họ muốn, cũng như có thể in các bộ phận thay thế tại nhà, thay vì đặt hàng và chờ chúng được giao . Theo công ty nghiên cứu Strateg Analytics, in 3D tại nhà có thể phát triển thành ngành công nghiệp trị giá 70 tỷ USD mỗi năm vào năm 2030.

Máy in 3D cho thực phẩm thậm chí cuối cùng có thể giải quyết vấn đề cho trẻ ăn rau, vì cha mẹ sẽ có khả năng nặn chúng thành đủ loại hình dạng. Có lẽ một đứa trẻ chập chững biết đi có thể bị thuyết phục ăn mầm Brussels nếu chúng được chuẩn bị trong hình dạng của một con khủng long.

Trở ngại đối với in 3D

Mặc dù lời hứa của máy in 3D là rất lớn, nhưng vẫn có những trở ngại đáng kể phải vượt qua trước khi nó đạt được kỳ vọng của những người đề xuất ngành..

1. Thiếu máy in tiêu dùng đơn giản, rẻ tiền
Máy in 3D có giá dưới 1.000 USD có khả năng hạn chế, có thể khó vận hành, có thể không đáng tin cậy và có thể yêu cầu lắp ráp bằng tay để sử dụng. Mặc dù những khiếm khuyết này cuối cùng sẽ được khắc phục, nhưng có thể phải mất nhiều thời gian thử và lỗi trước khi có sẵn một mô hình tiêu dùng giá cả phải chăng.

Một bài báo năm 2013 về chiến lược + lưu ý kinh doanh rằng, bất kể máy in 3D có giá rẻ như thế nào, một nhà máy sản xuất sẽ tiếp tục cung cấp các nền kinh tế quy mô trong các nguyên liệu thô để in ấn vật phẩm. Bài báo cũng đặt câu hỏi liệu người tiêu dùng sẽ sử dụng máy in 3D tại nhà để làm nĩa nhựa hay quân cờ nếu họ có thể mua nó từ Walmart địa phương.

2. Thiếu vật liệu phù hợp để in
Các máy in hiện có sẵn với giá tiêu dùng (2.500 đô la trở xuống) phụ thuộc vào công nghệ mô hình lắng đọng hợp nhất và nhựa PLA và ABS. Vật liệu này không cứng cáp và bị hạn chế về khả năng sử dụng. Các chuyên gia tin rằng thế hệ tiếp theo sẽ cần sử dụng vật liệu tổng hợp carbon và kim loại nếu nó hữu ích cho người tiêu dùng trung bình.

Một bài báo năm 2014 trên tờ The Telegraph chế giễu những người ủng hộ công nghệ mới, người tuyên bố tương lai tươi sáng như vậy, lưu ý rằng ngay cả những máy in 3D gia đình thành công, tạo ra những mô hình trông giống như chúng đã bị bỏ lại trên bộ tản nhiệt vài giờ. Người viết tiếp tục lưu ý rằng mặc dù rất tốt để tải các bộ phận vũ khí lên Internet, nhưng không có phương tiện để chế tạo kim loại (máy in 3D dành cho người tiêu dùng chưa có năng lực), nhưng nó có nhiều khả năng khiến bạn rời tay hơn bắn một viên đạn.

3. Cần kiến ​​thức về thiết kế CAD
Mặc dù các tệp có thể tải xuống cho các đối tượng khác nhau có sẵn từ các trang web như Thingiverse và Shapeways, nhưng chúng thường mang tính kỹ thuật và có thể không tương thích với mọi máy in 3D. Do sự cường điệu tiếp thị xung quanh máy in, chúng có thể được mô tả là dễ vận hành hơn so với trải nghiệm của người dùng thực tế.

Tom Meek, người đóng góp cho blog Người dùng Máy in 3D, lưu ý sự song song giữa máy in 3D và hệ thống máy pha cà phê Keurig và tầm quan trọng của thiết kế người tiêu dùng và dễ sử dụng, lưu ý rằng Keurig phải mất 16 năm để được thị trường chấp nhận. Và cần phải nhận ra rằng có nhiều người uống cà phê hơn người dùng máy in 3D tiềm năng. Các chuyên gia tiếp thị tin rằng các máy in phải hoạt động đơn giản như máy in ma trận hoặc laser chấm thông thường nếu chúng được chấp nhận rộng rãi.

4. Chậm, lộn xộn và có khả năng gây nguy hiểm
Mặc dù hoàn hảo cho các đối tượng độc nhất hoặc phức tạp, đắt tiền, máy in quá chậm để sản xuất hàng loạt. Các vật liệu được sử dụng và khí thải của chúng trong quá trình sử dụng, đặc biệt là bột, có thể lộn xộn và có khả năng độc hại. Cuối cùng, máy in 3D hiện tại sử dụng nhựa PLA hoạt động ở nhiệt độ rất cao (220 đến 230 độ). Mặc dù những vấn đề này không thể vượt qua, nhưng chúng sẽ mất thời gian và đầu tư để khắc phục.

Từ cuối cùng

Cho dù máy in 3D sẽ có tác động của TV, máy tính hoặc điện thoại di động như mong đợi của những người ủng hộ nó. Khi công nghệ phát triển, khả năng và lợi ích là vô tận. Đó chắc chắn là một công nghệ mà một người tiêu dùng thông minh sẽ nhận thức và sẵn sàng sử dụng khi nó đáo hạn và trở thành một sản phẩm tiêu dùng.

Bạn nghĩ sao? Bạn có muốn sở hữu một máy in 3D không?